Разработка технологического регламента на производство СОполимеров на основе молочной кислоты

Определим тепловой баланс установки, складывающийся из затрат теплоты на нагревание воды, ПВС и молочной кислоты, испарение воды, нагревание пара, теплоты химической реакции и теплоты, отводимой от установки по окончанию реакции. Из справочных данных находим теплоемкости реагирующих веществ, теплоту химической реакции, а также теплоту испарения воды.Тепловые эффекты реакции поликонденсации обычно невелики и составляют порядка 33,4—41,8 кДж/моль, или 8—10 ккал/моль.Теплота испарения воды составляет 2256 кДж/кг.Таблица 17. Теплоемкости реагентовНаименование веществакДж/(кг.К)Вода4,183Молочная кислота1,68Глицерин2,43В соответствии с приведенными данными рассчитаем энергозатраты на проведение данной химической реакции.Нагревание исходной смеси с 20 до 160 0С;Проведение реакции при 80 0С и полное испарение воды;Охлаждение смеси до 20 0С и комнатной температуры протекает самопроизвольно вместе с отключением нагрева установки.Уравнение теплового баланса имеет вид:В таблицах 18 - 19 рассчитаем тепловые эффекты реакции.Таблица 18. Тепловой эффект первой стадииНаименование веществаМасса, кгТеплоемкость кДж/(кг.К)Разность температур, КТеплозатреты, кДжМолочная кислота197,801,6814046522,56Глицерин0,972,43140329,99Вода21,984,18314012871,93Итого59724,48Таблица 19. Тепловой эффект второй стадииНаименование веществаМасса, кгТеплоемкость кДж/(кг.К)Разность температур, КТеплозатреты, кДжМолочная кислота197,801,68-80-26584,32Глицерин0,972,43-80-188,57Вода21,984,183-80-7355,39Итого-34128,28Теплота испарения воды составляет:кДжС паром систему покидает теплота, затраченная на нагрев и испарение воды в реакционной системе.молькДжНеобходимо подвести тепла:кДжСледовательно, реактор в данном случае необходимо своевременно охлаждать, так как химическая реакция образования сополимера сильно эксзотермична.3.3Получение сополимеров стирола с молочной кислотойВ базовой методике в стеклянную ампулу емкостью 100 мл последовательно вводят 10 мл (9,06 г, 87,1 ммол) освобожденного от ингибитора и свежеперегнанного стирола, 41 мл 55%-ного водного раствора молочной кислоты, диметилаллилдодециламин (ДМАДА) при концентрации в расчете на водную фазу 0,62%. Также добавляют 2,5 мг железоаммонийных квасцов (соль Мора, содержание по отношению к водной фазе 0,0042%), предварительно растворенных в 2 мл воды, подкисленной молочной кислотой [11]. Объемное соотношение водной и мономерной фаз 2:1. Инициирующая группа - гидроперекись кумола в сочетании с Fe+2, содержание 0,72% в стироле и 0,065% в водно-кислотной фазе соответственно. Полимеризацию проводят при температуре 50°С в течение 4 ч. Получают полимерную массу творожистой консистенции. Для выделения полимера эмульсию нагревают до 80-100°С, отделяют всплывший полимер от водной фазы, содержащей остатки молочной кислоты и ее водорастворимого олигомера, промывают водой и сушат при температуре, не превышающей 100°С (температура стеклования полистирола). Определяют выход полученного сополимера, который составляет 33% по молочной кислоте. Повышение выхода по молочной кислоте в постполимеризационный период составило за 3 суток - 58%, за 7 суток - 69%[1 – 4]. Подведем итог по данной методике: в таблицах 20 – 22.Таблица 20. Время работы реактора№Название стадииЗатраты времени, в часах1Проведение реакции полимеризации4Выгрузка субстрата12Отстаивание субстрата в емкостях, дополимеризация1683Выгрузка и фильтрование субстрата4Таким образом, в нашем случае требуется реактор периодического действия. Стадии фильтрации и отстаивания в фонде рабочего времени реактора не учитываем. Рассчитаем производительность данного реактора при исходных данных методики.где - масса полученного продукта, кг,Т – время одного рабочего цикла реактора, складывающееся из стадий 2 – 6.г/часОпределим коэффициент увеличения производительности базовой установки по формуле:Следовательно, массы всех реагентов в исходной методике следует увеличить в К = 44444,44 раз. Составим материальный баланс с учетом поправок на производительность.Таблица 21. Материальный баланс реактора, кг/час№ПриходРасходНазвание стадииМасса, кг/часНазвание стадииМасса, кг/час1Стирол100,67Сополимер1002Молочная кислота302,92Фильтрат511,913Вода205,004ДМАДА3,305Соль Мора0,026Итого611,91Итого611,91Рассчитаем требуемый объем лабораторной установки с учетом коэффициента заполнения, равного 0,8. Можем считать объем реактора равным совокупному раствора молочной кислоты и стирола.Таблица 22. Расчет объема реактораНаименование веществаОбъем (базовый вариант), лОбъем(проектируемый вариант),лРаствор молочной кислоты (55%)0,0411822,22Стирол0,01444,44Итого0,0512266,67Так как реактор в данном случае представляет собой аппарат периодического действия, то его объем определяется по формуле:где - общий объем смеси, л,К – коэффициент заполнения реактора, равный 0,8.л = 2,83 м3Следовательно, для производства указанного объема сополимера потребуется один реактор с перемешивающим устройством объемом 3 м3 или два реактора объемом 1,6 м3.В силу высокой заданной производительности (100 кг/час) данное оборудование уже нельзя отнести к лабораторному, поэтому при проектировании установки используем оборудование, применяемое в промышленных процессах химического синтеза.Определим тепловой баланс установки, складывающийся из затрат теплоты на нагревание воды, стирола и молочной кислоты, теплоты химической реакции и теплоты, отводимой от установки по окончанию реакции. Теплотой, расходуемой на нагревание ДМДА и соли Мора можно пренебречь в силу незначительного количества инициатора [5, 14].Из справочных данных находим теплоемкости реагирующих веществ, теплоту химической реакции, а также теплоту испарения воды.Тепловые эффекты реакции поликонденсации обычно невелики и составляют порядка 33,4—41,8 кДж/моль, или 8—10 ккал/моль.Теплота испарения воды составляет 2256 кДж/кг.Таблица 23. Теплоемкости реагентовНаименование веществакДж/(кг.К)Вода4,183Стирол1,82Молочная кислота2,34Теплоемкость ацетона не учитываем, так как ацетон загружается в реактор при стандартной температуре и не нагревается в ходе заключительной стадии процесса.В соответствии с приведенными данными рассчитаем энергозатраты на проведение данной химической реакции, заключающиеся в нагревании исходной смеси до 50 0С;Уравнение теплового баланса имеет вид:Таблица 24. Тепловой эффект первой стадииНаименование веществаМасса, кгТеплоемкость кДж/(кг.К)Разность температур, КТеплозатреты, кДжВода8204,18330102901,80Стирол402,681,823021986,33Молочная кислота1211,682,343085059,94Итого209948,06Теплота реакции составляет при условии, что прореагировало 50% молочной кислоты. М(молочной кислоты) = 0,09008 кг/моль.молькДжНеобходимо подвести и, впоследствии, отвести тепла:кДжЗАКЛЮЧЕНИЕВ данной работе нами были проведены материальные и тепловые расчеты, необходимые для разработки пилотных установок для получения сополимеров молочной кислоты с ПВС, глицерином и стиролом со средней производительностью 100 кг/час и подобрано соответствующее оборудование. Все разработанные установки действуют периодически.В работе были использованы две методики сополимеризацииполимолочной кислоты с поливиниловым спиртом - некаталитическая поликонденсация и поликонденсация с применением в качестве катализатора хлорида олова, SnCl2. Степень этерификации составляет 25-50%.Методика некаталитической поликонденсации молочной кислоты с глицерином.Олигомерные цепочки полимолочной кислоты «сшиваются» глицерином с образованием разветвленных полимеров.Способ получения сополимера стирола с молочной кислотой из стирола и водных растворов молочной кислоты.Процесс радикально инициируемой полимеризации стирола в данном способе совмещен с одновременно протекающей, межфазно катализируемой поликонденсацией кислоты.Совмещение осуществляют эмульсифицированием стирола в среде водных растворов молочной кислоты в присутствии эмульгаторов - третичных аминов.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫD.H. Lewis. Controlled release of bioactive agents from lactide/glycolide polymers // Biodegradable Polymers As Drug Delivery Systems / Ed. by M. Chasin, R. Langer. – N.-Y.: Marcel Dekker. 1990. P. 1-41.G. Ruan, S.-S. Feng. Preparation and characterisation of poly(lactic) –poly(ethylene glycol) – poly(lactic acid) (PLA-PEG-PLA) microspheres for controlled release of paclitaxel // Biomaterials. 2003. V. 24. P. 5037-5044. Kyle Clinton Bentz. SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF LINEAR AND BRANCHED POLYLACTIC ACID FOR USE IN FOOD PACKAGING APPLICATIONS // The Requirements for the Degree of Master of Science in Polymers and Coatings Science. June 2011. Faculty of California Polytechnic State University, San Luis Obispo.S. Herman, G. Hooftman, E. Schacht. PEG with reactive end groups: I. Modification of proteins // J. of Bioactive and Compatible Polymers. 1995. V. 10. P. 145-187.Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч.1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. Учебник для вузов. Изд. 2-е. М.: Химия,1995. - 400с.Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов: Учебное пособие - Виноградов О.С., Виноградов С.Н., Таранцев К.В. Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов: Учебное пособие. - Пенза: ПГУ, 2003. - 114 с.Коптева В.Б. Опоры колонных аппаратов. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. – 24 с.Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. – Л.: Машгиз, 1970. – 753 с.Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов под ред. чл. - корр. АН России П. Г. Романкова. − 13-е изд., М.: ООО ТИД «Альянс», 2006.− 576 с..Патент RU 2404198. Способ получения сополимеров стирола с молочной кислотой. Кирюхин Юрий Иванович, Чвалун Сергей Николаевич, Мотов Сергей Александрович, Кузьмина Марина Михайловна, Поляков Дмитрий Константинович, Быкова Ирина Витальевна, Антипов Евгений Михайлович, Полякова Галина РезвановнаПлановский А.Н, Николаев И.П. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. 5-изд. - М.:Химия, 1987 г. - 847 с.Плотность растворителей при различной температуре. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://fptl.ru/spravo4nik/plotnost-rastvoritelej-ot-temperaturi.htmlПроцессы и аппараты химической технологии. Проектирование ректификационных колонн. Часть 2. Технологический, конструктивный и гидравлический расчеты. Методические указания к курсовому проектированию для студентов химико-технологического и заочного энерго-механического факультетов. - Томск: Изд. ТПУ, 1997, - 32 с.Тимонин А. С. Основы конструирования и расчёта химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Изд. 2-е пер. и доп. Том 1.: Калуга, 2002. – 846 с.